Les bienfaits de la miniaturisation : miniaturiser la RF - 1re partie

Les smartphones, tablettes et autres appareils mobiles doivent prendre en charge plus de bandes RF que jamais pour offrir une couverture mondiale et combler la demande du marché. Ils doivent aussi intégrer un nombre toujours croissant de fonctionnalités sans fil. Bien que leurs circuits RF deviennent de plus en plus complexes, ces appareils doivent demeurer tout aussi compacts, voire plus, à chaque nouveau modèle. Dans cette optique, les concepteurs savent qu'une augmentation de la fréquence présente l'avantage de permettre une réduction de la taille des composants. Plus particulièrement, les antennes et les inductances peuvent être réduites au format à montage en surface ou de carte à circuit imprimé. Les circuits intégrés peuvent eux aussi contribuer, comme c'est déjà le cas, à cette tendance à la miniaturisation, puisque les géométries des processus permettent l'intégration de sections RF complètes qui associent en toute transparence les fonctionnalités numériques avec celles du monde analogique en matière de modulation, démodulation, adaptation d'antenne et propagation des ondes.

Cet article traite de la miniaturisation de certains composants et systèmes clés qui permettront aux concepteurs de liaisons sans fil de nouvelle génération (notamment l'Internet des objets) de créer des radios et des sous-systèmes radio plus performants. Dans la première partie de cet article, nous nous intéressons aux composants passifs récents qui intègrent différents composants discrets dans des versions plus compactes à montage en surface, ce qui économise l'espace et réduit les coûts tout en améliorant les performances.

Ces composants sont utiles avec les puces d'émetteurs-récepteurs de liaisons radio standard modernes, offrant déjà elles-mêmes des solutions de petite taille. Puisque ces normes établies en sont à leur troisième ou quatrième génération, les composants passifs intégrés sont hautement optimisés et présentent des circuits d'entrée, des filtres, des symétriseurs et d'autres pièces assorties adaptées à des solutions pour une norme, comme le Wi-Fi, ou à des protocoles multinormes comme les combinaisons Wi-Fi - Bluetooth.

Dans la 2e partie, nous nous intéresserons aux composants actifs des radios nouvelle génération, notamment les transistors, les mélangeurs, les modulateurs et les amplificateurs RF. Ces éléments peuvent être utiles pour le prototypage et même la production de liaisons radio spécialisées qui ne sont pas hautement standardisés. Les modules multipuces de type SoC et les cartes porteuses peuvent servir à préserver les caractéristiques des impédances et des antennes avec une plus grande précision. Il faut savoir que si un volume de fabrication élevé est prévu, la meilleure solution pour réduire à la fois la taille et le coût serait d'utiliser des puces personnalisées plus intégrées, en attendant que les fabricants de circuits intégrés s'adaptent. Là encore, les composants évoqués dans ce document demeureraient utiles. Tous les composants, fiches techniques, didacticiels et kits de développement mentionnés ici sont disponibles sur le site Web de DigiKey.

Soyons discrets

Si vous avez déjà touché à un projet radio, vous savez que les composants discrets et passifs font partie intégrante de la conception, qu'il s'agisse d'adaptations d'antenne d'entrée, de mélangeurs à tolérance stricte, d'oscillateurs, de transformateurs, de modulateurs, de filtres, de commutateurs, de diplexeurs ou autres. Bien que la plupart de ces fonctionnalités soient disponibles en tant que pièce intégrée, cela n'est pas toujours souhaitable, surtout pendant le développement. Par exemple, les filtres sont toujours nécessaires pour distinguer les signaux hors bande et les atténuer considérablement tout en maintenant la pleine puissance sur les bandes d'intérêt. Les catégories de filtres discrets comprennent les filtres LC localisés, diélectriques et SAW (voir Tableau 1)

Tableau 1 : Caractéristiques des filtres monolithiques

Bien que les filtres simples puissent être constitués de résistances, de condensateurs et d'inductances très compacts, il est possible d'ajouter des étages et des pôles en utilisant des structures plus complexes.

Les circuits intégrés ne font pas les meilleurs filtres. Le facteur Q typique d'une inductance pouvant être fabriquée avec la technologie CMOS est inférieur à 10. Il est possible de doubler cette valeur aux alentours de 20 grâce à l'utilisation du cuivre et de techniques de métallisation. Mais un problème se pose : pour minimiser les pertes d'insertion, il faut que les valeurs du facteur Q figurent dans les centaines. Actuellement, seuls des filtres discrets peuvent accomplir cela.

Les filtres sont utilisés dans toute la radio, à l'intérieur et à l'extérieur de la barrière de silicium (Figure 1). Dans ce cas, des filtres externes sont requis dans les adaptations d'antenne et les trajets de signaux pour permettre l'élimination des données de réception et le passage des données d'émission avec une atténuation réduite voire nulle. Cela est particulièrement important lorsqu'une antenne sert à la fois à l'émission et à la réception, ou si elle est utilisée avec plus d'un protocole.

Figure 1 : On a largement recours à des filtres à l'intérieur et à l'extérieur des émetteurs-récepteurs RF. Une performance accrue des composants discrets externes permet aux filtres IF internes et aux filtres en bande de base de partager un même trajet parmi les différents protocoles et bandes.

Les blocs filtres plus petits et plus intégrés, comme les filtres passe-bande monopuces 2450BP07A0100T de Johanson, sont hautement optimisés à la fois pour les radios actuelles et celles de nouvelle génération, par exemple pour la bande Wi-Fi 2,4 GHz.

Il est possible d'obtenir une meilleure adaptation des composants avec ces assemblages monolithiques. Il est en effet beaucoup plus difficile d'adapter les caractéristiques des composants comportant des pièces manufacturées à différents stades de fabrication. Ainsi, ces pièces combo peuvent présenter de plus hautes tolérances qu'il ne le serait possible avec des composants discrets.

Dans le présent cas, les formats 0402 offrent une bande passante de 100 MHz et une fréquence centrale étroite de 2,45 GHz sur une surface réduite de 1 x 0,5 mm et une hauteur de 0,43 mm. Un autre facteur intéressant des pièces combo est que les orientations des composants peuvent souvent tirer parti des empilages 3D pour réduire le bruit et l'interférence entre les étages.

Johanson offre un module de formation décrivant comment les filtres monopuces intégrés peuvent induire des performances, une fiabilité et une constance améliorées par l'intermédiaire du processus de fabrication. Notons aussi que plusieurs de ces pièces peuvent être combinées dans le but d'augmenter les performances. Par exemple, l'ajout du filtre passe-bas DEA102500LT-6307A1 de TDK peut contribuer à bloquer les fréquences élevées double bande, comme le filtre de 5 GHz utilisé avec les réseaux locaux sans fil hautes fréquences. Le chevauchement d'éléments de filtres a le même effet que l'ajout de pôles à un filtre et permet d'améliorer les performances. Cependant, le signal s'en trouvera atténué, et il faudra probablement avoir recours à un amplificateur d'entrée plus sensible, surtout pour les opérations multibandes.

Un filtre passe-bande à fréquence plus élevée pour 5 GHz également, comme le DEA105425BT-1293A1 de TDK, est adapté au même point d'antenne que le filtre passe-bas et passe-bande 2,4 GHz. Le 445-7845-KIT, un kit de démonstration/de développement de TDK, permet d'expérimenter sur 900 MHz et 2,4 GHz et comprend plusieurs diplexeurs et filtres adaptés à des protocoles communs.

Et la bande ?

Il est inexact de dire qu'un seul protocole fonctionne dans une bande précise. Par exemple les protocoles Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, W6LowPan, ANT+, GSM, DECT et d'autres protocoles peuvent avoir à coexister dans la bande ISM 2,4 GHz. Ces protocoles, même s'ils occupent de l'énergie dans le spectre, peuvent exploiter diverses techniques de modulation et algorithmes de sauts de fréquence. En conséquence, il est préférable de choisir des filtres supportant les différentes caractéristiques de bandes, telles que la largeur et le débit de données.

Prenons en exemple le filtre céramique multicouche FI105L250014-T de Taiyo Yuden, conçu pour les réseaux locaux et Bluetooth. De façon similaire, le 1810BP07B200T de Johanson cible les applications cellulaires CDMA et GSM. Lorsqu'un trajet d'émission doit être exploité par des bandes et des protocoles interopérables, des filtres de mode commun basés sur l'inductance peuvent aussi s'avérer utiles pour acheminer uniquement les signaux désirés aux filtres et démodulateurs. Ces derniers deviennent également de plus en plus petits. Examinons, par exemple, les composants passifs intégrés de Johanson Technology, ou les séries ACMF-03 et ACMF-04 de filtres à couches minces d'Abracon, allant jusqu'à 6 GHz. L'intégration permet une vaste plage de températures de fonctionnement (de -55°C à+150°C) et des impédances à 35 Ω pour l'ACMF-03-350-T d'Abracon, 65 Ω pour l'ACMF-03-650-T et 90 Ω pour l'ACMF-04-900-T du fournisseur. Différentes pièces du fabricant peuvent être optimisées pour les trajets d'émission autres que 50 Ω. Notez aussi les caractéristiques des composants mentionnées dans leurs conceptions de référence.

Certaines fonctionnalités, comme le GPS, ne devraient pas partager leurs antennes et traces avec d'autres bandes. Des dispositifs électroniques d'entrée très précis peuvent faire une différence s'ils se connectent à un signal satellite faible. Cela permet des antennes spécifiques et un placement indépendant des antennes pour optimiser la réception. Les circuits spécialisés au facteur de forme réduit conçus pour les GPS deviennent aussi de plus en plus sophistiqués. Les filtres RF SAW de Murata Electronics, destinés aux récepteurs GPS, en sont un exemple.

Les symétriseurs d'antenne

Les symétriseurs d'antenne sont similaires aux filtres, mais servent à faire communiquer les émetteurs à semi-conducteurs avec les circuits imprimés et les antennes CMS. En gros, ils convertissent des lignes d'émission asymétriques en commandes différentielles pour l'antenne. Les connexions différentielles sont essentielles pour minimiser le bruit de mode commun et ainsi considérablement améliorer la qualité du signal.

Les symétriseurs d'antenne peuvent intégrer une demi-douzaine de composants discrets dans une seule petite pièce montée en surface (Figure 2) ; ils existent pour les fréquences standard et à usage général. Les symétriseurs d'antenne s'adaptent aux impédances, possèdent des caractéristiques de ligne d'émission et peuvent nécessiter des retours de masse et des matériaux de circuits imprimés très spécifiques.

Figure 2 : Les symétriseurs d'antenne monolithiques absorbent plusieurs composants critiques. Comparés aux solutions discrètes, ils présentent une adaptation des composants mieux équilibrée.

Puisqu'un symétriseur d'antenne communique un trajet d'émission directement à l'antenne, il doit aussi pouvoir gérer les niveaux de puissance associés à l'énergie maximale autorisée dans cette bande. Habituellement, un symétriseur d'antenne peut gérer une puissance de plusieurs watts.

Le symétriseur d'antenne 2450BL15B100E de la série 2450 de Johanson, pour Wi-Fi et Bluetooth, en est un exemple. Il partage les mêmes fréquences porteuses, mais fait passer les techniques de modulation pour Wi-Fi et Bluetooth, et peut gérer jusqu'à 3 W avec des impédances de 50 à 100 Ω.

Lorsque les données de liaisons nécessitent des opérations duplex intégral, les duplexeurs et les diplexeurs modernes peuvent permettre à une section RF d'émettre pendant que l'état de réception récupère simultanément un signal différent avec la même antenne (Figure 3). Des composants comme l'ACMD-7402-BLK d'Avago tiennent dans un boîtier CMS CSP à 3 broches, ou même dans un boîtier 0402 comme le TFSD10055950-5102A2 à couches minces de TDK ou le diplexeur DPX165850DT-8017A1 de TDK pour les réseaux locaux sans fil de 2,4 et 5 GHz, notamment 802.11n.

Figure 3 : S'ils sont bien atténués, des filtres passe-bas, passe-haut et passe-bande dans les duplexeurs et diplexeurs monolithiques réussissent à faire passer les fréquences souhaitées et à atténuer les autres.

Jeux de cartes

Avec les bandes de fréquences à ondes courtes modernes, les antennes de circuits imprimés se sont montrées efficaces en tant qu'antennes d'émission/de réception peu coûteuses et plutôt fiables. Bien qu'efficaces, de tels aménagements nécessitent des retours de masse et des zones hors d'atteinte.

Les antennes externes sont ainsi devenues de plus en plus répandues, puisqu'elles offrent davantage de flexibilité dans la disposition. Les performances peuvent ainsi être améliorées en permettant aux points d'émission/de réception d'être situés plus loin des lignes numériques bruyantes. Cela permet même à des microcontrôleurs embarqués de sélectionner différentes antennes selon des informations RSSI reçues en temps réel.

On peut facilement se procurer, à bon prix, de nombreuses antennes monolithiques à montage en surface dont les performances sont appréciables, et ainsi profiter de la flexibilité qu'elles offrent. L'antenne céramique multicouche double-bande (2,4 et 5 GHz) haut rendement ANT016008LCD2442MA1 de TDK (Figure 4) en boîtier de type 0603 à montage en surface constitue un bon exemple. Cette antenne ne mesurant que 0,4 mm de hauteur, elle convient largement aux modèles ISM les plus compacts.

Figure 4 : Les antennes céramique multicouches sont si petites et compactes qu'elles prennent souvent moins d'espace qu'un seul composant passif discret.

L'antenne montée en angle constitue une autre option intéressante : l'antenne est isolée des obstructions, avantage que le montage central ou latéral ne peut offrir.

Par exemple, l'antenne A10464 d'Antenova mesure moins de 0,5 mm et peut être montée en angle sur votre carte à circuit imprimé pour vos applications GSM (Figure 5). La tête peut constituer une source d'interférences, surtout dans le cas des combinés. Un montage en angle assure un trajet bien dégagé et de plus fortes probabilités d'obtenir une connexion directe avec les tours ou les satellites.

Figure 5 : Les antennes montées en angle peuvent accorder un meilleur champ de visibilité pour certaines applications telles que les téléphones, où la proximité avec la tête peut affaiblir les signaux.

En résumé

Le format des radios standard, très répandues, continue de diminuer afin de permettre une intégration accrue avec d'autres liaisons filaires et sans fil. Si les appareils hautement intégrés gèrent très bien les parties actives de la conception pour les protocoles déjà établis et pris en charge, les composants discrets externes et passifs optimisent davantage le coût et les performances que les solutions sur puce. Dans la 2e partie de cette série, nous examinerons les éléments radio actifs en format discret et en format puce.

Pour plus d'informations, cliquez sur les liens fournis pour accéder aux pages d'informations du site Web de DigiKey.